CN104314837B - 用于水下作业的粗颗粒矿浆泵 - Google Patents

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Abstract

一种用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，包括双出轴潜水电机、至少一个上泵体和一个下泵体，上、下泵体中均设有叶轮和导叶，双出轴潜水电机的上、下轴分别连接上、下泵体中的叶轮，双出轴潜水电机的外部布置有输送管和连接管，且输送管和连接管沿双出轴潜水电机的中心轴对称布置，输送管和连接管的尺寸形状相同，连接管的两端封闭，输送管将上泵体的进口和下泵体的出口连通，且输送管的内径与下泵体下方连接的进口法兰的内径相等，与上泵体上方连接的出口法兰的内径相等。本发明结构简单、成本较低、操作简便、稳定性好，能够满足深海采矿系统粗颗粒矿石垂直管道水力输送水下作业要求。

Description

用于水下作业的粗颗粒矿浆泵
技术领域
本发明属于深海采矿、水力采煤及陆基水下采矿设备技术领域，尤其涉及一种基于垂直管道水力提升技术的采矿设备。
背景技术
深海金属矿产资源(如大洋多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等)颗粒粒径属粗颗粒矿石的范畴。深海潜水电泵是将深海底粗颗粒矿石通过垂直管道提升到海面采矿船上，其特点是，泵必须具备高扬程、低流量、过流和回流粗颗粒矿石的能力，同时要求潜水电机具有密封耐压、绝缘和防止海水腐蚀等特点，还要能适应水下动态条件下作业。显然，这种深海潜水电泵的研制是一项难度较大、高技术含量的研发工作。
在深海采矿系统中，潜水电泵在垂直管道水力输送技术中具有重要的工程应用前景，已被国内、外深海采矿业高度重视并作为研究的重点，对深海潜水电泵的开发研制有德国、日本和韩国等少数国家。1978年德国KSB公司研制了两台6级潜水电泵，属混流式矿浆泵类型，其结构采用筒装式整体结构，粗颗粒矿石由电机外部的环形格栅通道进入泵叶轮，泵的重心位于垂直管道轴心，粗颗粒矿石可通过泵回流，在太平洋5000m水深获得了海上试采的成功，但泵的磨损比较严重。1988年日本荏原制作所制造了两台8级潜水电泵，属离心式矿浆泵类型，泵的结构由上部泵和下部泵组成，潜水电机置于两泵中间，泵的重心偏离垂直管道轴心，粗颗粒矿石难以通过泵叶轮回流，但未经海上试验验证。2009年韩国地质资源研究院研制了1台2级潜水电泵，泵结构与德国类似，在韩国东海海港附近水深100m进行了浅海试验。
我国“十五”期间参照德国KSB公司6级潜水电泵资料加工了一台2级潜水电泵。并对泵结构进行了改进，主要结构改进是由德国KSB公司电机外部6个环形格栅通道(每个通道尺寸为84mm×65mm，格栅面积为0.03276m2)改为3个环形格栅通道(每个通道尺寸为120mm×90mm，格栅面积为0.0324m2)。由此可知，两家泵环形格栅通道的断面积与提升管道的断面积(直径200mm提升管道断面积为0.0314m2)相等。如从管道过流面积考虑，当提升管道流速一定时，环形格栅通道的流速与提升管道的流速相等。为了验证50mm粗颗粒矿石在泵的过流和回流能力，长沙矿冶研究院有限责任公司在高度30m、提升管直径200mm的扬矿实验室进行了泵矿浆工作性能试验，泵的性能基本上达到了设计要求，但泵环形格栅通道却存在严重缺陷，50mm粗颗粒矿石回流时在泵内的环形格栅通道出现了堵塞现象。
由上可以看出，目前国内外已开发研制的潜水电泵存在一定的技术问题，如果应用到深海采矿工程还存在一定的技术障碍。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本较低、操作简便、稳定性好、能够满足深海采矿系统粗颗粒矿石垂直管道水力输送水下作业的粗颗粒矿浆泵。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，包括双出轴潜水电机、至少一个上泵体和至少一个下泵体，所述上泵体和下泵体中均设有叶轮和导叶，所述双出轴潜水电机的上、下轴分别连接所述上泵体中的叶轮和下泵体中的叶轮，所述双出轴潜水电机的外部布置有输送管和连接管，且输送管和连接管沿双出轴潜水电机的中心轴对称布置(呈中心对称)，所述输送管和连接管的尺寸形状相同，所述连接管的两端封闭，所述输送管将上泵体的进口和下泵体的出口连通，且输送管的管径设置成满足以下要求，即：
粗颗粒矿浆泵工作时使输送管中的矿浆流量与连接上泵体的垂直输送管道中的矿浆流量相等。更具体的，所述输送管的内径与下泵体下方连接的进口法兰的内径相等，所述输送管的内径与上泵体上方连接的出口法兰的内径相等。本技术方案中的进口法兰和出口法兰是大小头法兰结构的一部分，大头法兰与下泵体和上泵体相连，小头法兰(即进口法兰和出口法兰)与垂直输送管道相联。
上述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵中，优选的，所述输送管和连接管的上、下两端分别通过上孔板和下孔板与上泵体和下泵体相连接，上孔板和下孔板上均只开设一导流孔(可分别表示为上导流孔和下导流孔)，且输送管的上、下两端分别与上孔板和下孔板的导流孔相通。
上述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵中，优选的，所述下孔板上的下导流孔布置在其中心孔的一侧，所述上孔板上的上导流孔布置在其中心孔的另一侧，所述上导流孔和下导流孔在水平面上的投影沿双出轴潜水电机的中心轴呈轴对称布置。这样的结构设置能使矿浆在输送管输送过程中产生螺旋式上升的效果，防止输送管在输送粗颗粒过程中堵塞。
上述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵中，优选的，所述输送管和连接管均呈螺旋式设于所述双出轴潜水电机的外部。同样的，这样的结构设置在保证输送管和连接管呈中心对称布置的前提下，能够借助螺旋式上升作用可确保矿浆输送流态稳定，防止输送管在输送粗颗粒过程中堵塞。
上述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵中，优选的，所述双出轴潜水电机的上端出轴串接有多个上泵体，且各个上泵体之间通过法兰连接。所述双出轴潜水电机的下端出轴串接有多个下泵体，且各个下泵体之间通过法兰连接。
上述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵中，优选的，所述上泵体中的叶轮为上叶轮，所述下泵体中的叶轮为下叶轮，所述上叶轮和下叶轮均呈中心对称方式安装在所述双出轴潜水电机的上、下轴上，且至少满足以下条件之一：
(1)使上叶轮和下叶轮运转时对双出轴潜水电机产生的水力轴向力相互抵消；
(2)使上叶轮和下叶轮的中心轴线与双出轴潜水电机的中心轴线重合；
(3)使上叶轮和下叶轮的中心轴线与下泵体下方连接的进口法兰的中心线重合；
(4)使上叶轮和下叶轮的中心轴线与上泵体上方连接的出口法兰的中心线重合。
上述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵中，优选的，所述输送管和连接管与所述双出轴潜水电机的外壳设有一定间隙。通过使输送管和连接管与电机外壳之间的间隙，不仅能够使粗颗粒矿浆泵的工作状态更加稳定，而且能防止受电机振动干扰，解决了电机的散热问题。
本发明的上述技术方案主要基于以下原理：通过研究深海粗颗粒在泵流道和输送管内的悬浮、滑移和沉降特性，以及研究粗颗粒矿浆在泵流道和输送管内的过流和回流能力；我们对粗颗粒矿浆泵的内部结构和外部形状都做了重要改进，确保粗颗粒矿浆输送流量稳定，避免了粗颗粒矿浆在泵流道和输送管内发生堵塞。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)随着深海矿产资源开发利用技术的发展，本发明的粗颗粒矿浆泵完全可以应用于深海采矿系统粗颗粒矿浆垂直管道水力提升；
(2)本发明中双出轴潜水电机的上、下叶轮以及上、下导叶均采用了对称布置方式，不仅可以确保粗颗粒矿浆泵的轴向力平衡，而且能够确保粗颗粒矿石的过流与回流；
(3)本发明中双出轴潜水电机外部直接潜入海水，有利于电机的散热冷却；
(4)本发明的粗颗粒矿浆泵的重心位于垂直输送管道的轴心，可承受水下设备和海洋环境的动载荷和弯矩，适于水下动态条件下进行作业。
(5)本发明的粗颗粒矿浆泵通过结构上的优化设计和改进，解决了粗颗粒矿浆输送时的堵塞问题。
总体来说，本发明的粗颗粒矿浆泵结构简单、成本较低、操作简便，能够满足深海采矿系统粗颗粒矿石垂直管道水力输送的技术要求，本发明的粗颗粒矿浆泵一方面可以应用于深海采矿垂直管道水力输送系统，另一方面可以应用于水力输煤及陆基水下采矿等领域，还可推动我国深海采矿技术的快速发展。
附图说明
图1为本发明实施例1中粗颗粒矿浆泵的结构示意图。
图2为图1中A-A处的剖面图(仅示出输送管和连接管的剖面，双出轴潜水电机的剖面省略)。
图3为图1中B-B处上孔板的剖面图(下孔板的剖视图与上孔板相同)。
图4为本发明实施例2中粗颗粒矿浆泵的结构示意图。
图5为图4中D-D处的剖面图(仅示出输送管和连接管的剖面，双出轴潜水电机的剖面省略)。
图6为图4中C-C处下孔板的剖面图。
图7为图4中E-E处上孔板的剖面图。
图例说明
1、进口法兰；2、下泵体；3、下叶轮；4、下导叶；5、下孔板；6、连接管；7、双出轴潜水电机；8、上孔板；9、上泵体；10、上叶轮；11、上导叶；12、出口法兰；13、输送管；14、上导流孔；15、下导流孔；16、中心孔。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于或连接于”另一元件上时，它可以是直接固定或连接在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定或连接在另一元件上。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
在深海采矿系统中，水深2000～5000m的海底集矿机构采集的深海金属矿产资源(如大洋多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等)经水下破碎机破碎，再采用垂直输送管道通过潜水电泵提升到水面采矿船上，破碎机破碎后的粗颗粒矿石粒度最大可达50mm，输送矿浆体积浓度约10％～20％，因此采用传统的水下泥浆泵难以满足这一技术要求，本实施例采用本发明的粗颗粒矿浆泵提升能满足作业要求。
实施例1：
一种如图1～图3所示本发明的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，属混流式矿浆泵类型，包括相互串联的一个上泵体9、双出轴潜水电机7和一个下泵体2，上泵体9中设有上叶轮10和上导叶11，下泵体2中设有下叶轮3和下导叶4，双出轴潜水电机7的上、下轴分别连接上泵体9中的上叶轮10和下泵体2中的下叶轮3，并分别驱动上叶轮10和下叶轮3旋转。根据实践中粗颗粒矿浆泵扬程的要求，上泵体9和下泵体2可以是一级泵体，也可以为多级泵体串联。当采用多级泵体时，各级泵体之间均通过法兰连接。本实施例中只采用一级泵体，因此在下泵体2的下方连接一进口法兰1，在上泵体9的上方连接一出口法兰12。本实施例中的上导叶11和下导叶4主要承受泵压力、泵与双出轴潜水电机的重量。
本实施例的双出轴潜水电机7的外部布置有输送管13和连接管6，且输送管13和连接管6沿双出轴潜水电机7的中心轴呈中心对称布置(参见图1和图2)，输送管13和连接管6的外部形状相同，连接管6的两端封闭，输送管13与上泵体9的进口端和下泵体2的出口端连通，且输送管13的管径设置成满足以下要求，即：输送管的管径与进口法兰1、出口法兰12的孔径相同，粗颗粒矿浆泵工作时使输送管13中的矿浆流量与垂直输送管道中的矿浆流量相等。这有利于粗颗粒矿浆过流和回流，能够解决现有泵环形格栅通道的粗颗粒矿石堵塞问题，使得粗颗粒矿浆在垂直输送管道保持流态稳定。输送管13和连接管6的作用还可以承受水下设备和海洋环境的动载荷和弯矩，保证其更好地适用于深海采矿系统水下动态条件下作业。如图3所示，本实施例中，输送管13和连接管6的上、下两端分别通过上孔板8和下孔板5与上泵体9和下泵体2相连接，上孔板8上开设有一上导流孔14，下孔板5上开设有一下导流孔15，且输送管13的上、下两端分别连通至上孔板8和下孔板5上开设的上导流孔14和下导流孔15处。此外，输送管13和连接管6与双出轴潜水电机7的外壳有一定间隙。
本实施例中，上泵体9中的上叶轮10和下泵体2中的下叶轮3均呈中心对称方式安装在双出轴潜水电机7的上、下轴上，且满足以下条件：
使上叶轮10和下叶轮3运转时对双出轴潜水电机7产生的水力轴向力相互抵消；
使上叶轮10和下叶轮3的中心轴线与双出轴潜水电机7的中心轴线重合；
使上叶轮10和下叶轮3的中心轴线与出口法兰12和进口法兰1的中心线重合。
本实施例中粗颗粒矿浆泵的工作原理如下：启动前，先将粗颗粒矿浆泵串联在垂直输送管道悬挂在水下，清水通过进口法兰1、下叶轮3、下导叶4、下孔板5进入输送管13，再通过上孔板8、上叶轮10、上导叶11、出口法兰12进入垂直输送管道；然后启动双出轴潜水电机7，双出轴潜水电机7驱动上泵体9中的上叶轮10和下泵体2中的下叶轮3旋转；泵运转时，进口法兰1处的粗颗粒矿浆通过下叶轮3、下导叶4、下孔板5流入到输送管13内，再通过上孔板8、上叶轮10、上导叶11、出口法兰12进入垂直管道；通过本实施例上述结构，输送管13内的矿浆流量和矿浆浓度与垂直输送管道内的矿浆流量和浓度相等，以确保输送过程流态的稳定；另外，由于本实施例中上泵体9和下泵体2的对称布置方式，减少了粗颗粒矿浆泵的轴向震动；泵停止后，关闭双出轴潜水电机7，矿浆依次由出口法兰12通过上导叶11、上叶轮10、上孔板8、输送管13、下孔板5、下导叶4、下叶轮3自由沉降到进口法兰1处，以确保粗颗粒矿浆回流无堵塞现象。
实施例2：
一种如图4～图7所示本发明的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，属混流式矿浆泵类型，包括相互串联的一个上泵体9、双出轴潜水电机7和一个下泵体2，上泵体9中设有上叶轮10和上导叶11，下泵体2中设有下叶轮3和下导叶4，双出轴潜水电机7的上、下轴分别连接上泵体9中的上叶轮10和下泵体2中的下叶轮3，并分别驱动上叶轮10和下叶轮3旋转。根据实践中粗颗粒矿浆泵扬程的要求，上泵体9和下泵体2可以是一级泵体，也可以为多级泵体串联。当采用多级泵体串联时，各级泵体之间均通过法兰连接。本实施例中只采用一级泵体，因此在下泵体2的下方连接一进口法兰1，在上泵体9的上方连接一出口法兰12。本实施例中的上导叶11和下导叶4主要承受泵压力、泵与双出轴潜水电机的重量。
本实施例的双出轴潜水电机7的外部布置有输送管13和连接管6，且输送管13和连接管6沿双出轴潜水电机7的中心轴呈中心对称布置(参见图4和图5)，输送管13和连接管6的外部形状相同，连接管6的两端封闭，输送管13与上泵体9的进口端和下泵体2的出口端连通，且输送管13的管径设置满足以下要求，即：输送管的管径与进口法兰1和出口法兰12的孔径相同，粗颗粒矿浆泵工作时使输送管中的矿浆流量与垂直输送管道中的矿浆流量相等。这有利于粗颗粒矿浆过流和回流，能够解决现有泵环形格栅通道的粗颗粒矿石堵塞问题，使得粗颗粒矿浆在垂直输送管道流态稳定。输送管13和连接管6的作用还可以承受水下设备和海洋环境的动载荷和弯矩，保证其更好地适用于深海采矿系统水下动态条件下作业。本实施例中，输送管13和连接管6的上、下两端分别通过上孔板8和下孔板5与上泵体9和下泵体2相连接，上孔板8上开设有一上导流孔14，下孔板5上开设有一下导流孔15，且输送管13的上、下两端分别连接到上孔板8和下孔板5上开设的上导流孔14和下导流孔15处。此外，输送管13和连接管6与双出轴潜水电机7的外壳有一定间隙。
需要特别指出的是，如图6和图7所示，本实施例中，下孔板5上的下导流孔15开设于其中心孔16的一侧，上孔板8上的上导流孔14则开设于其中心孔16的另一侧，且上导流孔14和下导流孔15在水平面上的投影沿双出轴潜水电机7的中心轴呈轴对称布置。输送管13和连接管6则均呈螺旋式包覆在双出轴潜水电机7的外部。这样的结构设置能使矿浆在输送管13输送过程中产生螺旋式上升的效果，防止输送管在输送粗颗粒过程中堵塞。
本实施例中，上泵体9中的上叶轮10和下泵体2中的下叶轮3均呈中心对称方式安装在双出轴潜水电机7的上、下轴上，且满足以下条件：
使上叶轮10和下叶轮3运转时对双出轴潜水电机7产生的水力轴向力相互抵消；
使上叶轮10和下叶轮3的中心轴线与双出轴潜水电机7的中心轴线重合；
使上叶轮10和下叶轮3的中心轴线与出口法兰12和进口法兰1的中心线重合。
本实施例中粗颗粒矿浆泵的工作原理如下：启动前，先将粗颗粒矿浆泵串联在垂直输送管道悬挂在水下，清水通过进口法兰1、下叶轮3、下导叶4、下孔板5进入输送管13，再通过上孔板8、上叶轮10、上导叶11、出口法兰12进入垂直输送管道；然后启动双出轴潜水电机7，双出轴潜水电机7驱动上泵体9中的上叶轮10和下泵体2中的下叶轮3旋转；泵运转时，进口法兰1处的粗颗粒矿浆通过下叶轮3、下导叶4、下孔板5流入到输送管13内，再通过上孔板8、上叶轮10、上导叶11、出口法兰12进入垂直管道；通过本实施例上述结构，输送管13内的矿浆流量和矿浆浓度与垂直输送管道内的矿浆流量和浓度相等，以确保输送过程流态的稳定；另外，由于本实施例中上泵体9和下泵体2的对称布置方式，减少了粗颗粒矿浆泵的轴向震动；泵停止后，关闭双出轴潜水电机7，矿浆依次由出口法兰12通过上导叶11、上叶轮10、上孔板8、输送管13、下孔板5、下导叶4、下叶轮3自由沉降到进口法兰1处，以确保粗颗粒矿浆回流无堵塞现象。

Claims (7)

1.一种用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，包括双出轴潜水电机(7)、至少一个上泵体(9)和至少一个下泵体(2)，所述上泵体(9)和下泵体(2)中均设有叶轮和导叶，所述双出轴潜水电机(7)的上、下轴分别连接所述上泵体(9)中的叶轮和下泵体(2)中的叶轮，其特征在于：所述双出轴潜水电机(7)的外部布置有输送管(13)和连接管(6)，且输送管(13)和连接管(6)沿双出轴潜水电机(7)的中心轴对称布置，所述输送管(13)和连接管(6)的尺寸形状相同，所述连接管(6)的两端封闭，所述输送管(13)与上泵体(9)的进口和下泵体(2)的出口连通，所述输送管(13)的内径与下泵体(2)下方连接的进口法兰(1)的内径相等，所述输送管(13)的内径与上泵体(9)上方连接的出口法兰(12)的内径相等。
2.根据权利要求1所述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，其特征在于：所述输送管(13)和连接管(6)的上、下两端分别通过上孔板(8)和下孔板(5)与上泵体(9)和下泵体(2)相连接，上孔板(8)和下孔板(5)上均只开设一个导流孔，且输送管(13)的上、下两端分别与上孔板(8)和下孔板(5)的导流孔相通。
3.根据权利要求2所述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，其特征在于：所述下孔板(5)上的下导流孔(15)布置在其中心孔(16)的一侧，所述上孔板(8)上的上导流孔(14)布置在其中心孔(16)的另一侧，所述上导流孔(14)和下导流孔(15)在水平面上的投影沿双出轴潜水电机(7)的中心轴呈轴对称布置。
4.根据权利要求1、2或3所述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，其特征在于：所述输送管(13)和连接管(6)均呈螺旋式设于所述双出轴潜水电机(7)的外部。
5.根据权利要求1、2或3所述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，其特征在于：所述双出轴潜水电机(7)的上端出轴串接有多个上泵体(9)，且各个上泵体(9)之间通过法兰连接；所述双出轴潜水电机(7)的下端出轴串接有多个下泵体(2)，且各个下泵体(2)之间通过法兰连接。
6.根据权利要求1、2或3所述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，其特征在于：所述上泵体(9)中的叶轮为上叶轮(10)，所述下泵体(2)中的叶轮为下叶轮(3)，所述上叶轮(10)和下叶轮(3)均对称安装在所述双出轴潜水电机(7)的上、下轴上，且至少满足以下条件之一：
①使上叶轮(10)和下叶轮(3)运转时对双出轴潜水电机(7)产生的水力轴向力相互抵消；
②使上叶轮(10)和下叶轮(3)的中心轴线与双出轴潜水电机(7)的中心轴线重合；
③使上叶轮(10)和下叶轮(3)的中心轴线与所述进口法兰(1)的中心线重合；
④使上叶轮(10)和下叶轮(3)的中心轴线与所述出口法兰(12)的中心线重合。
7.根据权利要求1、2或3所述的用于水下作业的粗颗粒矿浆泵，其特征在于：所述输送管(13)和连接管(6)与所述双出轴潜水电机(7)的外壳设有一定间隙。
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